Depuración de aguas residuales

 

MINIGLOSARIO:

Aguas residuales: Aguas utilizadas en las viviendas, industria y agricultura que se canalizan en el alcantarillado junto con el agua de lluvia y la que discurre por las calles.

Balsas de activación:  Tanques que reciben el efluente de los decantadores primarios para el tratamiento biológico aerobio en e proceso de fangos activos.

 DBO5: Demanda Bioquímica de Oxígeno (5 días). Cantidad de oxígeno utilizado por una mezcla de población de microorganismos heterótrofos para oxidar compuestos orgánicos en la oscuridad a 20ºC durante 5 días.

Desbaste: Sistema de rejas y tamices donde quedan retenidos los flotantes y residuos gruesos que arrastra consigo el agua “bruta” o influente en las estaciones regeneradoras.

 Digestión anaerobia: Tratamiento biológico anóxico del fango procedente de los decantadores secundarios y primarios previo a su secado y eliminación, y que se desarrolla con la producción de gas, fundamentalmente metano.

 ERAR: Estación Regeneradora de Aguas Residuales. Plantas de tratamiento de las aguas residuales.

Eutrofización: Aumento de nutrientes en el agua que, en general, conlleva un excesivo desarrollo de algas y microorganismos consumidores de oxígeno que afectan principalmente a la vida de la fauna acuática habitual.

Flóculo: Unidad ecológica y estructural del fango activo formada por una agrupación de bacterias y otros microorganismos que permiten la oxidación de la materia orgánica en las balsas de activación.

Licor de mezcla: Homogeneizado del agua residual con los flóculos bacterianos para el tratamiento biológico.

 Sintrofía: Situación nutricional en la que dos o más organismos combinan sus capacidades metabólicas para catabolizar una sustancia que no puede ser catabolizada individualmente por ninguno de los dos.

1. Contextualización. “El agua se contamina al ser usada”

            Cada vez que hacemos uso del cuarto de baño “condenamos” una media de 10-20 litros de agua, en la mayoría de los casos potable, a convertirse en agua residual negra que podría llegar a constituir un problema medioambiental serio, no solo  por el hecho de verter estas aguas contaminadas a los cauces de los ríos, sino también por el poco aprovechamiento de ese agua para otros usos, ocasionándose una pérdida de energía y económica. Se denominan aguas residuales, por tanto, las que han sido utilizadas en las viviendas, en la industria, en la agricultura y en los servicios, pudiéndose incluir también las que proceden de lluvia y discurren por las calles y espacios libres, por los tejados, patios y azoteas de los edificios.

Estas aguas residuales producidas en la vida diaria deben ser transportadas y tratadas adecuadamente. Se necesita una infraestructura compuesta de alcantarillas y colectores, y de unas instalaciones denominadas Estaciones de Regeneración de Aguas Residuales (ERAR) que, en un conjunto, posibiliten la devolución del agua al medio ambiente en condiciones compatibles con él.

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2.   Introducción

¿Porqué necesitamos una ERAR?

Cuando un vertido de agua residual sin tratar llega a un cauce produce varios efectos sobre él:

n    Tapiza la vegetación de las riberas con residuos sólidos gruesos que lleva el agua residual, tales como plásticos, utensilios, restos de alimentos, etc.

n    Acumulación de sólidos en suspensión sedimentables en fondo y orillas del cauce, tales como arenas y materia orgánica.

n    Consumo del oxígeno disuelto que tiene el cauce por descomposición de la materia orgánica y compuestos amoniacales del agua residual.

n    Formación de malos olores por agotamiento del oxígeno disuelto del cauce que no es capaz de recuperarse.

n    Entrada en el cauce de grandes cantidades de microorganismos entre los que pueden haber elevado número de patógenos.

n    Contaminación por compuestos químicos tóxicos o inhibidores de otros seres vivos.

n    Posible aumento de la eutrofización al portar grandes cantidades de fósforo y nitrógeno.

 

La depuración de las aguas residuales persigue una serie de objetivos:

n    Reducir al máximo la contaminación.

n    Proteger el medio ambiente.

n    Mantener la calidad de vida de los individuos.

n    Ahorrar energía.

n    Aprovechar los residuos obtenidos.

 

Para poner de manifiesto la importancia del saneamiento y depuración de aguas residuales nos vamos a centrar en Madrid, la ciudad de España, y una de las de Europa, con el mejor sistema de saneamiento de aguas negras, teniendo asegurado prácticamente el tratamiento del 100% de las aguas residuales que produce. Para ello, se cuenta con 7 ERAR principales (una 8ª está en construcción) y con más de 60 secundarias.

Este sistema de saneamiento cuenta con más de 3000 km de red de alcantarillado, de los cuales, el 40% son visitables. Las aguas urbanas son transportadas a los colectores primarios, y de aquí a las ERAR, para tratar al año 530 millones de m3 de agua, a más de 18 m3 por segundo. En general, puede considerarse que el consumo de agua por habitante y día oscila entre 250 y 300 litros.

Cualquiera de las 7 ERAR principales de Madrid poseen tres líneas básicas para su funcionamiento: agua, fango y gas, pudiendo disponer, en algunos casos, de una línea complementaria de aire destinada a la eliminación de olores.

            En todas estas plantas de tratamiento, conforme llegan las aguas negras el proceso de línea de agua comienza por un tratamiento previo de desbaste, desarenado y desengrasado, seguido por el tratamiento primario de decantación. A continuación se realiza el tratamiento secundario, de tipo biológico, por fangos activados en balsas de aireación en las que se inyecta aire por medio de turbinas o soplantes. Este proceso es seguido por una posterior decantación secundaria y, en caso necesario, ser complementado con un proceso de cloración con el que termina la regeneración del agua residual.

            En la línea de fangos se trata el resultado de los decantadores primarios y secundarios, el cual es espesado y sometido a un proceso biológico de digestión anaerobia. A continuación pasa por un proceso de acondicionamiento químico con reactivos y se procede a su secado mecánico. El fango, ya acondicionado y seco, queda preparado para su retirada y posterior compostaje, que permitirá su utilización como abono agrícola.

            Durante el proceso de digestión de fangos se produce un gas biológico rico en metano que puede alimentar motogeneradores y producir energía eléctrica. En el año 1996 se produjeron 51 millones de Kwh entre todas las plantas de Madrid.

 

3. Procesos en la Depuración y Regeneración de Aguas Residuales

Las instalaciones de tratamiento biológico de aguas residuales, tanto urbanas como industriales, suelen estar formadas por una sucesión de procesos físico-químicos y biológicos tanto aerobios como anóxicos (vía anaerobia) complementarios entre sí que permiten realizar una depuración integral en las mejores condiciones técnicas y económicas posibles. ¿Cómo se evalúa que una planta depuradora funciona?. Los objetivos de una ERAR son:

n    Eliminación de residuos, aceites, grasas, flotantes o arenas y evacuación a punto de destino final adecuado.

n    Eliminación de materias decantables orgánicos y/o inorgánicos.

n    Eliminación de compuestos amoniacales y que contengan fósforo.

n    Transformar los residuos retenidos en fangos estables y que éstos sean correctamente dispuestos.

            La eficacia de un proceso de tratamiento se expresa en términos de tanto por ciento de disminución de la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO), una medida de la cantidad de oxígeno disuelto consumido por los microorganismos para la oxidación de materia orgánica e inorgánica. Cuanto mayor es el nivel de materiales oxidables orgánicos e inorgánicos, más elevada es la DBO y peor es la calidad del agua. Una planta de tratamiento de aguas residuales que funcione bien, puede eliminar el 95% o más de la DBO inicial.

Según el grado de complejidad y tecnología empleada, las ERAR se clasifican como:

a)   Convencionales. Se emplean en núcleos de población importantes y utilizan tecnologías que consumen energía eléctrica de forma considerable y precisan mano de obra especializada.

b)  Tratamientos blandos. Se emplean en algunas poblaciones pequeñas y alejadas de redes de saneamiento. Su principal premisa es la de tener unos costos de mantenimiento bajos y precisar de mano de obra no cualificada. Su grado de tecnificación es muy bajo, necesitando poca o nula energía eléctrica.

 

            En el presente tema nos vamos a centrar en el primer tipo de ERAR, aunque mencionaremos otros procesos alternativos.

            Convencionalmente, los procesos de una ERAR se agrupan en:

n    Línea de aguas: Pretratamiento, Tratamiento primario, secundario y terciario.

n    Línea de fangos: Espesamiento, Digestión, Acondicionamiento, Secado y Eliminación.

n    Línea de gas: Producción de metano.

 

3.1. Línea de aguas

 

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3.1.1. Pretratamiento

            En toda ERAR resulta necesaria la existencia de un tratamiento previo o pretratamiento que elimine del agua residual aquellas materias que pueden obstruir las bombas y canalizaciones, o bien interferir en el desarrollo de los procesos posteriores.

            Con el pretratamiento se elimina la parte de polución más visible: cuerpos voluminosos, trapos, palos, hojas, arenas, grasas y materiales similares, que llegan flotando o en suspensión desde los colectores de entrada.

            Una línea de pretratamiento convencional consta de las etapas de desbaste, desarenado y desengrasado.

            El desbaste se lleva a cabo mediante rejas formadas por barras verticales o inclinadas, que interceptan el flujo de la corriente de agua residual en un canal de entrada a la estación depuradora. Su misión es retener y separar los sólidos más voluminosos, a fin de evitar las obstrucciones en  los equipos mecánicos de la planta y facilitar la eficacia de los tratamientos posteriores. Estas rejas pueden ser de dos tipos: entre 50 y 150 mm de separación de los barrotes (desbaste grueso) y entre 10 y 20 mm (desbaste fino). Estas rejas disponen de un sistema de limpieza que separa las materias retenidas.

            Las instalaciones de desarenado se sitúan en las ERAR después del desbaste y tienen como objetivo el extraer del agua bruta las partículas minerales de tamaño superior a uno fijado en el diseño, generalmente 200 micras. El funcionamiento técnico del desarenado reside en hacer circular el agua en una cámara de forma que la velocidad quede controlada para permitir el depósito de arena en el fondo. Normalmente, esta arena sedimentada queda desprovista casi en su totalidad de materia orgánica y es evacuada, mediante bombas, al clasificador de arenas y, posteriormente, a un contenedor.

            La fase de desengrasado tiene por objeto eliminar las grasas, aceites y en general los flotantes, antes de pasar el agua a las fases posteriores del tratamiento. El procedimiento utilizado para esta operación es el de inyectar aire a fin de provocar la desemulsión de las grasas y su ascenso a la superficie, de donde se extraen por algún dispositivo de recogida superficial, normalmente rasquetas, para acabar en contenedores..

En muchas ERAR, las fases de desarenado y desengrasado se verifican en la misma cámara, en una instalación combinada.

Otros elementos del pretratamiento son el Aliviadero y el Medidor de Caudal. El primero permite que la planta funcione siempre según el caudal del proyecto y, conjuntamente con el medidor del caudal, permite controlar la cantidad de agua que entra en la planta.

 

3.1.2. Tratamiento Primario

            Se entiende por tratamiento primario a aquel proceso o conjunto de procesos que tienen como misión la separación por medios físicos de las partículas en suspensión no retenidas en el pretratamiento.

            El proceso principal del tratamiento primario es la decantación, fenómeno provocando por la fuerza de gravedad que hace que las partículas suspendidas más pesadas que el agua se separen sedimentándose. Normalmente, en decantadores denominados dinámicos, los fangos son arrastrados periódicamente hasta unas purgas mediante unos puentes móviles con unas rasquetas que recorren el fondo. En los denominados decantadores circulares, inmensos, el agua entra por el centro y sale por la periferia, mientras que los fangos son arrastrados hacia un pozo de bombeo de donde son eliminados por purgas periódicas.

            Otros procesos de tratamiento primario incluyen el mecanismo de flotación con aire, en donde se eliminan sólidos en suspensión con una densidad próxima a la del agua, así como aceites y grasas, produciendo unas burbujas de aire muy finas que arrastran las partículas a la superficie para su posterior eliminación.

El tratamiento primario permite eliminar en un agua residual urbana aproximadamente el 90% de las materias decantables y el 65% de las materias en suspensión. Se consigue también una disminución de la DBO de alrededor del 35%.

 

3.1.3. Tratamiento Secundario

            Su finalidad es la reducción de la materia orgánica presente en las aguas residuales una vez superadas las fases de pretratamiento y tratamiento primario. El tratamiento secundario más comúnmente empleado para las aguas residuales urbanas consiste en un proceso biológico aerobio seguido por una decantación, denominada secundaria.

            El proceso biológico puede llevarse a cabo por distintos procedimientos. Los más usuales son el proceso denominado fangos activos y el denominado de lechos bacterianos o percoladores. Existen otros procesos de depuración aerobia de aguas residuales empleados principalmente en pequeñas poblaciones: sistema de lagunaje, filtros verdes, lechos de turba o contractores biológicos rotativos. Son las llamadas tecnologías blandas, pero nosotros nos vamos a centrar en los dos primeros.

 

3.1.3.1. Fangos (lodos) activos

            Consiste en un proceso continuo en el que el agua residual se estabiliza biológicamente en tanques o balsas de activación, en las que se mantienen condiciones aerobias. El efluente de los decantadores primarios pasa a estas balsas de fangos activos que necesitan un aporte de oxígeno para la acción metabólica de los microorganismos que más tarde describiremos. Este aporte se efectúa mediante turbinas o bien a través de difusores dispuestos en el interior de la balsa. En este último caso, el suministro del aire se realiza mediante turbocompresores.

El sistema consiste en desarrollar un cultivo bacteriano disperso en forma de flóculo (los analizaremos más tarde) alimentado con el agua a depurar. La agitación evita sedimentos y homogeniza la mezcla de los flóculos bacterianos y el agua residual (licor de mezcla). Después de un tiempo de contacto suficiente, 5-10 horas, el licor de mezcla se envía a un clarificador (decantador secundario) destinado a separar el agua depurada de los fangos. Un porcentaje de estos últimos se recirculan al depósito de aireación para mantener en el mismo una concentración suficiente de biomasa activa. Se tiene que garantizar los nutrientes necesarios para que el sistema funcione correctamente. Estos son principalmente el nitrógeno y el fósforo.

Una vez que los influentes han pasado por estos tanques de aireación y digestión bacteriana, los efluentes pasan por los decantadores secundarios. Estos decantadores constituyen el último escalón en la consecución de un efluente bien clarificado, estable, de bajo contenido en DBO  y sólidos en suspensión (menos del 10 % en comparación con el influente).

Aunque el tratamiento biológico reduce la DBO del agua efluente un 75-90%, la del fango se reduce en mucha menor medida, por lo que suele ser necesario el posterior tratamiento de dichos fangos.

Para que se verifique el proceso, debe haber un equilibrio entre los microorganismos que se mantienen en el reactor y el alimento contenido en el agua residual, por lo que es necesario regular el caudal de fangos que se introduce en la balsa de activación en función de la cantidad de alimento que entra con el agua residual.

 

3.1.3.2. Lechos bacterianos

Son tanques circulares rellenos de piedras o materiales sintéticos formando un filtro con un gran volumen de huecos, destinado a degradar biológicamente la materia orgánica del agua residual.

El agua a tratar se rocía sobre el lecho filtrante, mediante un brazo giratorio, provisto de surtidores, y da lugar a la formación de una película que recubre los materiales filtrantes y que está formada por bacterias, protozoos y hongos alimentados por la materia orgánica del agua residual. Al fluir el agua residual sobre la película, la materia orgánica y el oxígeno disuelto son extraídos de ésta. El oxígeno disuelto en el líquido se aporta por la absorción del aire que se encuentra entre los huecos del lecho. El material del lecho debe tener una gran superficie específica y una elevada porosidad, y suelen emplearse piedras calizas, gravas, escorias o bien materiales plásticos artificiales de diversas formas. Este sistema de depuración se suele emplear en pequeñas poblaciones y tiene la ventaja con respecto a los fangos activos que no necesita aporte alguno de energía.

 

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3.1.4. Principales microorganismos del fango activo.

El mecanismo general del sistema de fangos activos viene representado por la siguiente reacción biológica:

Materia Orgánica + Microorganismos + O2 Þ CO2 + H2O + NH3/NH4+ + Microorganismos + Energía

 

            La biodegradación (oxidación de la materia orgánica disuelta en el agua) la llevan a cabo los microorganismos presentes en la balsa de activación que forman el flóculo.

El flóculo individual es la unidad ecológica y estructural del fango activo, y constituye el núcleo alrededor del cual se desarrolla el proceso de depuración biológica. El tamaño medio del flóculo oscila entre las 100 y 500 micras. A medida que aumenta el tamaño del flóculo, el oxígeno en su interior disminuye, y se pueden formar zonas de anoxia donde pueden crecer bacterias anaerobias metanogénicas y que pueden arrancar el proceso de digestión anaerobia de fangos, como veremos más adelante.

En el flóculo de fangos activos existen 2 componentes denominados biológico y no biológico. El componentes biológico principal está constituido por una amplia variedad de microorganismos:

n    Bacterias: Es el componente principal y fundamental del flóculo. Básicamente son heterótrofas: Bacilos Gram negativos del grupo de las Pseudomonas como Zoogloea (principalmente la especie ramigera); Pseudomonas o Comamonas; bacterias filamentosas sin septos como Flavobacterium-Cytophaga; o proteobacterias oxidantes del hidrógeno como Alcaligenes (con capacidad desnitrificante). Entre las bacterias Gram positivas se pueden encontrar: Arthrobacter (corineformes con morfogénesis coco-bacilo, muy abundantes en el suelo) y Bacillus (Bacilo esporógeno aerobio ). Por otra parte, un flóculo “ideal” contiene una serie de bacterias filamentosas desarrollándose en equilibrio con el resto de las bacterias.

Lo descrito hasta ahora constituiría la “estructura básica” del flóculo del fango activo. No obstante, se pueden encontrar un gran número de bacterias autótrofas, las cuales suelen ser nitrificantes Gram negativas como los géneros Nitrosomonas o Nitrobacter, o bacterias rojas no del azufre como el género Rhodospirillum o Rhodobacter.

n   Hongos:  Los fangos activados no suelen favorecer el crecimiento de hongos, aunque algunos filamentosos sí pueden, ocasionalmente, ser observados en los flóculos de los fangos activos, como los géneros: Geotrichum, Penicillium o Cephalosporium.

n   Protozoos: Los principales microorganismos eucariotas presentes en los fangos activos son los protozoos ciliados libres (Paramecium), fijos (Vorticella) o reptantes (Aspidisca, Euplotes), los cuales se encuentran en altas densidades y desempeñan un importante papel en el proceso de depuración y en la regulación del resto de la comunidad biótica. Mejoran la calidad del efluente y regulan la biomasa bacteriana al predar sobre las bacterias dispersas del licor de mezcla. Otros protozoos presentes son los flagelados Bodo o Pleuromonas y, dentro del grupo sarcodina, el género Amoeba.

n    Metazoos: Aunque pueden estar presentes en las balsas de activación organismos multicelulares tales como Nemátodos, Anélidos, Crustáceos o Acaros, los organismos multicelulares más comunes son los Rotíferos (Lecane, Philodina o Notommata). Eliminan bacterias libres y posibles patógenas (Salmonelas, bacterias fecales, etc.) y producen un mocus que mantienen el flóculo junto con el exopolisacárido producido por la bacteria Zooglea ramigera.

n    Algas microscópicas: Si bien no suelen formar parte del flóculo, pueden aparecer en aquellas aguas residuales con gran cantidad de materia orgánica. Entre las más comunes se encuentran Cosmarium y Pediastrum (chlorophyta); Euglena (Euglenophyta) y Pinnularia (Chrysophyta).

 

            La presencia de los diferentes organismos determina el grado de DBO presente, puesto que cada uno de los grupos vistos requieren unas condiciones de oxígeno determinadas.

            El componente no biológico del flóculo contiene partículas orgánicas e inorgánicas que provienen del agua residual, junto con polímeros extracelulares (principalmente polisacáridos producidos por algunos de los microorganismos señalados anteriormente) que tienen un importante papel en la biofloculación del fango activo.

 

3.1.5. Microorganismos filamentosos del fango activo. Problemas de floculación

            Prácticamente, en todos los fangos activos existen microorganismos filamentosos formando una especie de red denominada macroestructura flocular. Por tanto, se puede afirmar que estos son componentes normales de la población del fango, si bien, y bajo condiciones específicas pueden entrar en competencia con las bacterias formadoras de flóculo, originando una serie de efectos sobre la estructura flocular. Por un lado, su ausencia puede dar lugar a flóculos pequeños y sin cohesión, produciéndose un efluente final turbio. Por otra parte, si la cantidad de filamentos es alta podemos encontrarnos con dos tipos de problemas biológicos:

a)   Esponjamiento filamentoso o “bulking”. El fango activo sólo sedimenta lentamente y no se compacta, o lo hace pobremente, debido a que en él se ha producido un hinchamiento o esponjamiento provocado por una excesiva proliferación de bacterias filamentosas. Es un fallo de la macroestructura flocular.

b)  Espumamiento biológico o “foaming”. Los microorganismos filamentosos producen una espesa espuma coloreada (en colores del blanco al marrón) y en muchos casos abundantes flotantes en decantación secundaria.

Los tipos de microorganismos filamentosos identificados habitualmente en las ERAR de todo el mundo son una treintena, de los que sólo unos pocos son muy frecuentes. Entre ellos se encuentran los siguientes:

n    Quimiolitótrofos oxidantes del azufre: Beggiatoa, Thiotrix.

n    Bacterias Gram negativas con vaina: Sphaerotilus.

n    Cianobacterias: células del Grupo IV que producen heterocistos tales como Anabaena o Nostoc.

n    Bacterias Gram positivas: bacilos esporógenos (Bacillus), cocos que forman filamentos (Streptococcus) y bacterias del grupo de las micobacterias que forman filamentos cortos (Nocardia) .

 

3.1.6. Tratamiento terciario

            El tratamiento terciario es el procedimiento más completo para tratar el contenido de las aguas residuales, pero no ha sido ampliamente adoptado por ser muy caro. Este tratamiento consiste en un proceso físico-químico que utiliza la precipitación, la filtración y/o la cloración para reducir drásticamente los niveles de nutrientes inorgánicos, especialmente los fosfatos y nitratos del efluente final. El agua residual que recibe un tratamiento terciario adecuado no permite un desarrollo microbiano considerable. Algunos de estos tratamientos son los siguientes:

n    Adsorción: Propiedad de algunos materiales de fijar en su superficie moléculas orgánicas extraídas de la fase líquida en la que se encuentran.

n    Cambio iónico: Consiste en la sustitución de uno o varios iones presentes en el agua a tratar por otros que forman parte de una fase sólida finamente dividida (cambiador), sin alterar su estructura física. Suelen utilizarse resinas y existen cambiadores de cationes y de aniones. Debido a su alto precio, el proceso de intercambio iónico se utiliza únicamente en aquellos casos en los que la eliminación del contaminante venga impuesta por su toxicidad o que se recupere un producto de alto valor (eliminación de isótopos radiactivos, descontaminación de aguas con mercurio, eliminación de cromatos y cianuros, recuperación de oro, etc.).

n    Procesos de separación por membranas: tanto mediante membranas semipermeables (procesos de ultrafiltración y ósmosis inversa) como mediante membranas de electrodiálisis.

De todas formas, en la mayoría de los casos el tratamiento terciario de aguas residuales urbanas queda limitado a una desinfección para eliminar patógenos, normalmente mediante la adición de cloro gas, en las grandes instalaciones, e hipoclorito, en las de menor tamaño. La cloración sólo se utiliza si hay peligro de infección. Cada vez más se está utilizando la desinfección con ozono que evita la formación de organoclorados que pueden ser cancerígenos.

En los últimos años, no obstante, ha crecido notablemente el interés por la eliminación del N (también pero menos el S y el P). Estos compuestos pueden provocar un crecimiento anormal de algas, plantas acuáticas y microorganismos de diferentes clases. Esto ejerce una fuerte demanda de oxígeno, la cual afecta negativamente la vida de los peces y tiene un negativo impacto en el uso de ese agua. A este fenómeno se le llama Eutrofización del agua.

El origen del N en las aguas residuales puede ser muy diverso, predominando el que proviene de la mineralización de la materia orgánica a amoniaco o amonio según se indica en la siguiente secuencia:

Proteína Þ Aminoácidos Þ Amonio

 NH4+ Þ NH3 + H+ (a pH básico, la reacción se desplaza a la derecha).

También, a través de la enzima ureasa, la urea puede degradarse en amoniaco y dióxido de carbono:

O=C-(NH2)2 + H2O (+ ureasa) Þ 2NH3 + CO2.

 

Como se ha indicado anteriormente, estas fuentes de nitrógeno presentes en el agua residual deben ser eliminados antes de verter los efluentes a los cauces finales. En las ERAR se pueden utilizar unos procesos biológicos antagónicos para evitar la eutrofización: nitrificación y desnitrificación bacteriana:

 

Nitrificación: Consiste en la conversión del amonio a nitrato mediante la acción microbiana. Este proceso es llevado a cabo por las bacterias nitrificantes, quimiolitótrofas aerobias estrictas, Gram negativas capaces de oxidar el amoniaco. El proceso tiene lugar en dos fases: Por una parte, las bacterias pertenecientes al género Nitrosomonas básicamente (bacilos con sistemas de membrana periféricos) oxidan el amoniaco a nitrito. Posteriormente, éste es oxidado a nitrato por las bacterias oxidadoras de nitrito del género Nitrobacter (bacilos cortos que se reproducen por gemación y con sistemas de membranas organizados como una capa polar). El proceso final se realiza en 3 etapas (dos para la oxidación a nitrito mediante un paso intermedio de hidroxilamina y una para nitrato):

Bacterias nitrosificantes (Nitrosomonas):

1.   NH3 + O2 + 2e- + 2H+ Þ NH2OH + H2O

2.   NH2OH + H2O + ½ O2 Þ NO2- + 2H2O + H+

            DG0 = -287 KJ/reacción (enzima: monooxigenasa)

            Bacterias nitrificantes (Nitrobacter):

                        NO2- + ½ O2 Þ NO3-

                                   DG0 = -76 KJ/reacción (enzima: nitrito oxidasa)

 

Desnitrificación: Proceso mediante el cual los NO3- y NO2- producidos en el primer proceso son reducidos a las formas gaseosas N2 u óxido nitroso (N2O). Este último puede constituirse como un fuerte contaminante del aire. La mayor parte de las bacterias que utilizan el NO3- como aceptor de electrones son heterótrofas anaerobias facultativas o anaerobias aerotolerantes pertenecientes a una gran variedad de géneros tanto Gram negativos (Pseudomonas, Spirillum, Rhizobium, Cytophaga, Thiobacillus o Alcaligenes) como Gram positivos (Bacillus, Propionibacterium o Corynebacterium).

La secuencia que conlleva la desnitrificación es la siguiente:

NO3 (+nitrato reductasa) Þ NO2 (+ nitrito reductasa) Þ NO (+ oxido nítrico reductasa) Þ N2O (+oxido nitroso reductasa) N2.

 

            En algunos casos, se puede adaptar un proceso de lechos bacterianos para llevar a cabo la desnitrificación durante unas 6-10 horas, como ocurre con la ERAR de Viveros (Madrid). Una vez tratados estos efluentes, con proceso terciario o sin él, es vertido al cauce fluvial. Se considera bien depurado, o regenerado, aquel efluente que no tiene más de 20-30 mg/l (p.p.m.) DBO5 y alrededor de la misma cantidad de sólidos en suspensión.

 

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3.2. Línea de fangos

            En un tratamiento biológico de aguas residuales se obtienen volúmenes considerables de fangos. A estos fangos hay que someterlos a determinados procesos que reducirán su facultad de fermentación y su volumen. Las características de los fangos son consecuencia del uso que se les haya dado a las aguas. Los fangos de depuración se producen por sedimentación en los decantadores de los distintos procesos de tratamiento. Por un lado, las partículas sólidas más gruesas se depositan en el fondo del decantador primario y forman los fangos primarios. Las partículas más finas y disueltas se fijan y metabolizan por las bacterias que se multiplican en presencia de oxígeno durante la operación de aireación. Esta biomasa bacteriana se separa en el decantador secundario para producir los fangos secundarios. Una parte de esta biomasa se recircula al depósito de aireación, la otra se extrae constituyendo los fangos biológicos en exceso. Ambos tipos de fangos se pueden mezclar formando los fangos mixtos.

El tratamiento de los fangos depende de su composición y del tipo de agua residual del que proviene. Las fases más usuales en un proceso de tratamiento y evacuación de fangos son: concentración o espesamiento, digestión, acondicionamiento, secado, incineración y/o eliminación. El tratamiento de los fangos será en función de las disponibilidades económicas, destino final previsto, existencia de espacio, etc.

 

3.2.1. Espesamiento

La misión del espesamiento de los fangos es concentrarlos para hacerlos más densos, reduciendo el volumen global para facilitar el manejo de los mismos y abaratar los costes de las instalaciones posteriores. Existen varios tratamientos posibles:

a)  Concentración en espesadores: Un espesador es un depósito cilíndrico terminado en forma cónica. Normalmente, el fango que llega a estos espesadores es de tipo mixto. Suelen tener un cono de descarga de gran pendiente. La concentración que cabe esperar es de hasta un 5-10 %.

b)  Flotación: Es una alternativa al espesamiento propiamente dicho. Consiste en inyectar aire a presión al fango a tratar formando un manto en la superficie que, mediante una rasqueta superficial, es barrido hacia una arqueta. Este tipo de espesamiento se utiliza para fangos muy ligeros con gran cantidad de bacterias filamentosas.

c)   Centrifugación: Se utiliza tanto para concentración como para deshidratación.

 

3.2.2. Digestión

El proceso de digestión de fangos puede llevarse a cabo por vía anaerobia (la principal) o por vía aerobia. Ambas soluciones tienen sus ventajas e inconvenientes, si bien puede decirse que en instalaciones importantes resulta más conveniente la primera, reservándose la vía aerobia para estaciones de menor importancia.

 

3.2.2.1. Digestión anaerobia

La digestión anaerobia consiste en una serie de procesos microbiológicos que convierte la materia orgánica en metano en ausencia de oxígeno. La producción de metano es un fenómeno relativamente común en la naturaleza, ya que puede formarse desde en glaciares hasta en el sistema digestivo de rumiantes. Este proceso, a contrario de la digestión aerobia, es producido casi únicamente por bacterias.

El proceso se lleva a cabo en unos depósitos cerrados (de hasta 30 m de diámetro y casi 20 de altura) denominados digestores, que permiten la realización de las reacciones correspondientes y la decantación de los fangos digeridos en su parte baja de forma cónica. En el proceso se produce un gas, denominado gas biológico (mezcla de metano y CO2 principalmente) que se evacua del recinto. El fango introducido en el digestor se agita, con el fin de mantener una homogeneidad, mediante un sistema mecánico, o bien por medio de la difusión del propio gas de la mezcla. Para facilitar el proceso de digestión y reducir su duración, los fangos se calientan a temperaturas de alrededor de 30-37º, siendo conveniente que este calor se aporte utilizando como combustible el propio gas de la digestión.

La digestión anaerobia puede hacerse en una o dos etapas. Generalmente, el hacerlo en dos etapas (digestores primarios y secundarios) produce mejores resultados. En los primarios, el fango se mezcla constantemente con el propio gas producido para favorecer la digestión, mientras que en el secundario simplemente se deja sedimentar el fango antes de extraerlo. El proceso completo dura aproximadamente 30 días (20 en los digestores primarios y 10 en el secundario).

Las ventajas y desventajas de la digestión anaerobia con respecto a la digestión aerobia son las siguientes:

Ventajas:

n    El aceptor final de electrones suele ser CO2, por lo que no hace falta la constante adición de oxígeno, abaratando el proceso.

n    Produce menor cantidad final de lodos, pues el desarrollo de estas bacterias es más lento y la mayor parte de la energía se deriva hacia la producción del producto final, metano. Solo un 5% del carbono orgánico se convierte en biomasa, en contraste con hasta el 50% de las condiciones aerobias.

n    El metano tiene un valor calorífico de aproximadamente 9000 kcal/m3 y se puede utilizar para producir calor para la digestión o como fuente de energía eléctrica mediante motogeneradores.

n    La energía requerida para el tratamiento de las aguas residuales es muy baja.

n    Se puede adaptar a cualquier tipo de residuo industrial.

n    Se pueden cargar los digestores con grandes cantidades de materia.

Desventajas

n    Es un proceso más lento que el aerobio.

n    Es más sensible a tóxicos inhibidores.

n    La puesta a punto del sistema requiere también largos periodos.

n    En muchos casos, se requiere mayor cantidad de producto a degradar para el buen funcionamiento.

           

3.2.2.2. Procesos microbiológicos

            Existe una organización sinergística entre las diferentes bacterias implicadas en la metanogénesis. La reacción general podría resumirse como:

            Biomasa ® CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

            Entre las bacterias que forman parte de los digestores anaerobios se pueden encontrar anaerobias estrictas o facultativas, tanto Gram negativas (Bacteroides), como Gram positivas (Clostridium, Bifidobacterium, Lactobacillus, Streptococcus).

            Existen 4 grupos o categorías de bacterias que participan en los pasos de conversión de la materia hasta moléculas sencillas como metano o dióxido de carbono y que van cooperando de forma sinergística:

n    Grupo 1: Bacterias hidrolíticas:  Son un grupo de bacterias (Clostridium, Proteus, Bacteroides, Bacillus, Vibrio, Acetovibrio, Staphyloccoccus) que rompen los enlaces complejos de las proteínas, celulosa, lignina o lípidos en monómeros o moléculas como aminoácidos, glucosa, ácidos grasos y glicerol. Estos monómeros pasarán al siguiente grupo de bacterias.

n    Grupo 2: Bacterias fermentativas acidogénicas: (Clostridium, Lactobacillus, Escherichia, Bacillus, Pseudomonas, Desulfovibrio, Sarcina). Convierten azúcares, aminoácidos y lípidos en ácidos orgánicos (propiónico, fórmico, láctico, butírico o succínico), alcoholes y cetonas (etanol, metanol, glicerol, acetona), acetato, CO2 y H2.

n    Grupo 3: Bacterias acetogénicas: Son bacterias sintróficas (literalmente “que comen juntas”), es decir, solo se desarrollan como productoras de H2 junto a otras bacterias consumidoras de esta molécula. Syntrophobacter wolinii, especializada en la oxidación de propionato, y Syntrophomonas wolfei, que oxida ácidos grasos que tienen de 4 a 8 átomos de carbono, convierten el propiónico, butírico y algunos alcoholes en acetato, hidrógeno y dióxido de carbono, el cual se utiliza en la metanogénesis.

Etanol + CO2 ® Acido acético + 2H2

Acido propiónico + 2H2O ® Acido acético + CO2 + 3H2

Acido butírico + 2H20 ® 2 Acido acético + 2H2

 

n    4 grupo: Metanógenas: La digestión anaerobia de la materia orgánica en la naturaleza, libera del orden de 500-800 millones de toneladas de metano por año a la atmósfera. Esto se produce en la profundidad de sedimentos o en el rumen de los herbívoros. Existen tanto bacterias Gram positivas como negativas. Estos microorganismos crecen muy despacio, con tiempo de generación que van desde los 3 días a 35ºC hasta los 50 días a 10ºC. Estas bacterias se dividen en 2 subgrupos:

n    Metanógenos hidrogenotróficos (bacterias quimiolitótrofas que utilizan hidrógeno): CO2 + 4H2 ® CH4 + 2H2O

n    Metanógenas acetotróficas: Acético ® CH4 + CO2.

 

Sólo dos géneros, Methanosarcina (cocos grandes e irregulares en paquetes, Gram positivos) y Methanothrix (bacilos alargados, Gram negativos) tienen especies acetotróficas, aunque las primeras pueden utilizar también CO2 + H2 como sustrato. Todas las bacterias metanogénicas se incluyen en el dominio Archaea.

 

3.2.2.3. Digestión aerobia

                        Es otro procedimiento alternativo de digestión de fangos que, como se ha indicado, suele aplicarse solamente en pequeñas instalaciones. Consiste en estabilizar el fango por aireación, destruyendo así los sólidos volátiles. El tiempo de aireación suele oscilar entre 10 y 20 días, según la temperatura.

3.2.3.  Acondicionamiento de los fangos

Los fangos urbanos y muchos industriales tienen una estructura coloidal que los hace poco filtrables a la hora del secado posterior a la digestión, por lo que el sistema de filtración consigue un bajo rendimiento. Para evitar este inconveniente se añade a los fangos reactivos floculantes que rompen la estructura coloidal y le confiere otra de carácter granular de mayor filtrabilidad. Los reactivos más utilizados son las sales de hierro (Cl3Fe), sales de aluminio, cal (CaO) y/o polielectrolito.

 

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3.2.4. Secado

Su objetivo es eliminar agua del fango para convertirlo en una pasta sólida fácilmente manejable y transportable . El sistema depende de la cantidad de fango y del terreno disponible.

El primer sistema utilizado fue el de Eras de secado por su simplicidad y bajo costo. El procedimiento consiste en la disposición de los fangos a secar sobre una superficie al aire libre dotada de un buen drenaje. La altura de la capa extendida varía según las características del fango. Para fangos urbanos digeridos se disponen capas de 20 a 30 cm. La superficie de las Eras varía en función del clima de la zona. La “torta” de fangos se suele secar cuando la humedad de la misma desciende por debajo del 40%. Un puente rascador que se mueve sobre unos carriles pueden emplearse en la extracción de la torta de fango.

En el caso de ERAR de grandes poblaciones y con problemas de grandes espacios existen otros mecanismos de secado como son los filtros de banda, filtros prensa y/o centrifugación. En estos casos, la torta producida suele tener alrededor del 25% de material seco. Estas tortas son recogidas mediante una cinta transportadora y enviada a la tolva para su retirada. El fango una vez seco puede ser transportado a un vertedero e incinerado (aguas urbanas con aporte industrial) o utilizado como corrector de suelos (aguas exclusivamente urbanas).

 

3.3. Línea de gas

Como se ha indicado anteriormente, cuando el proceso de digestión de fangos se efectúa por anaerobia, como consecuencia de las reacciones bioquímicas del mismo, se produce un gas denominado gas biológico o biogás, que tiene un contenido de metano de alrededor del 65-70%. El resto de su composición lo constituyen gases inertes. La mayor parte dióxido de carbono.

El biogás puede convertirse, reutilizándolo, en un valioso subproducto a través del cual se suministra una gran parte de la energía que la ERAR necesita para su funcionamiento (hasta un 60% del total de la energía empleada). Las aplicaciones de este gas de digestión son, por un lado, las de su uso como calefacción tanto de edificios como de los propios fangos de digestión y, por otro lado en instalaciones importantes, las de su empleo como combustible para producción de energía. En este último caso, a la planta depuradora se le dota de motores que se alimentan con el biogás, y a estos motores se le acoplan generadores cuya energía eléctrica producida sirve para abastecer las distintas partes de la estación.

 

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RESUMEN

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Internet: páginas Web sobre ERAR y microorganismos implicados

n   http://www.geocities.com/RainForest/Canopy/1285/ (Ayuda para proyectos Fin de Carrera en CC Ambientales).

n    http://www.supercable.es/~aymasl/ (Agua y Medio Ambiente. Una página muy interesante con descripción de microorganismos frecuentes en las ERAR)

n   http://www.uam.es/fguam/Fse/cursos99/ciencias/ci15.html (Curso impartido por el Profesor José Luis Sanz sobre regeneración de aguas residuales).

n    http://195.76.84.11/aguas/ (Sistema de formación Medioambiental de Madrid). Información muy valiosa sobre las ERAR de Madrid).

n   http://dgpea2.comadrid.es/agua/calidad.html (Información sobre el Plan Integral de Aguas de Madrid, PIAM).

n   http://members.es.tripod.de/bern/agua_depuracion.html (Medioambiente y el Agua).